Vakuumphysik and Vakuumtechnologie

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1 Vakuumphysik and Vakuumtechnologie Was ist Vakuum? Wozu brauchen wir Vakuum? Wie erzeugt man Vakuum? Wie misst man Vakuum? Grundlagen der Vakuumphysik Kinetische Gastheorie Aspekte zur Vakuumtechnolgie, Vakuumkammern Vakuum: weitgehend luftleerer Raum Gasdruck weniger als 300 mbar (niedrigster auf Erdoberfläche vorhandener Druck) Ist komplett leerer Raum möglich? Vakuumfluktuation in der Quantenfeldtheoreíe: Bildung von virtuellen Teilchen aus dem Nichts. 1

2 Vakuumkammer Rezipient Ventil (Leck) Druckmessgeräte Massenspektrometer Gasteilchen (isotrop) Teichendichte Druck Leiterelemente (Rohre) Pumpen 2

3 Wozu benötigt man Vakuum? Grobes Vakuum: Druckunterschied: Vakuumhaftung, Staubsauger Wenig Sauerstoff: Konservierung, Wärmebehandlung von Metallen, Vakuumverpackung Gefriertrocknung Feines Vakuum: Geringe Wärmeleitung: Vakuumisolierung, Dewargefässe Geringe Oxidation: Glühlampen Geringe Teilchendichte: Elektronenstrahlschweissen, Plasma Hochvakuum: Geringe Teilchendichte, grosse freie Weglänge: Elektronenmikroskop, Elektronenröhren, Oszilloskop, (ehemals) Fernseher, Aufdampftechnik, Mikroelektronik, CDs, DVDs, Ultrahochvakuum: Geringe Auftreffrate, sehr grosse freie Weglänge: Teilchenbeschleuniger, Oberflächenphysik, Weltraumsimulation, Fusionsreaktor 3

4 Vakuum: geringer Druck Druck: Kraft/Fläche Druckeinheiten: N/m 2 p = F/A = Pascal (Pa) Atmosphärendruck: Pa 10 5 Pa (Normdruck) Alte Einheiten: 1 Atmosphäre (atm) 1, 013 bar = 1013 mbar = 1.01x 10 5 Pa 1 atm = 760 Torr = 760 mm Hg 1 atm 10 m Wassersäule (WS) (Rechenbeispiel) Aus Gaskinetik: p= n A kt n A : Loschmidt-Konstante = 2.69x10 25 m -3 k: Bolzmann-Konstante = 1.38x10-23 Ws/K T: 273 K (Normbedingung) Daraus folgt: p = x 10 5 Pa Für 1 mol: Molvolumen: 22,4 l, Anzahl der Teilchen in 1 mol: 6.03 x10 23 : Avogadro Konstante 4

5 Vakuumbereiche: Grobvakuum (GV): Feinvakuum (FV): Hochvakuum (HV): Ultra-HV (UHV): Extrem-HV (XHV): 10 5 Pa 10 2 Pa (1 bar 1 mbar) 10 2 Pa 10-1 Pa (1 mbar 10-3 mbar) 10-1 Pa 10-5 Pa (10-3 mbar 10-7 mbar) 10-5 Pa Pa (10-7 mbar mbar) < Pa (< mbar) Charakteristische Kenngrössen: Strömung: Kontinuumsströmung in GV Molekularströmung in HV und UHV Knudsenströmung in FV Mittlere freie Weglänge: λ 1/p 1/n Bei Atmosphärendruck: λ 0.1 μm Bei 10-2 mbar: λ 1 cm Bei mbar: λ 1000 km! Flächenstossrate: Z a n p Bei 10-6 mbar: Z a Teilchen/cm 2 1 Monolage (ML) 5

6 Weitere gaskinetische Grössen: Geschwindigkeitsverteilung ist Maxwell sch Dampfdruck einer Substanz: p v exp(-q v /kt) Q v : Verdampfungswärme 6

7 Vakuumpumpen: Für Grob und Feinvakuum durch Luftverdrängung, z.b. Kolbenpumpe. (Vorvakuumpumpen) Häufigste technische Pumpen: Drehschieberpumpe Exzentrisch gelagerter Rotor mit Schiebern in einem zylindrischen Gehäuse. Dadurch entstehen 3 Räume die sich zeitlich vergrössern und verkleinern: Ansaugen und auspuffen. Meist zweistufig ausgeführt. Öl dient als Schmierung und Dichtung. Enddruck durch Öldampfdruck bestimmt: etwa 10-3 mbar. Saugvermögen: mehrere m 3 pro Stunde Mittels Gasballasteinrichtung können auch kondensierbare Dämpfe (Wasserdampf) gepumpt werden. 7

8 Membranpumpen: Vorteile: Komplett ölfrei, geräuscharm, hohe Betriebssicherheit Nachteil: Geringeres Endvakuum: 0.1 mbar Auch Saugvermögen geringer Weitere Vorvakuumpumpen: Wälzkolbenpumpen (Rootspumpen) Grosse Saugvermögen, aber geringer Enddruck S einige 1000 m 3 /h 8

9 Wasserstrahlpumpen (kinetische Pumpe). Einfach und billig. Enddruck durch Wasserdampfdruck bestimmt: Etwa 17 mbar bei 15 C. Adsorptionspumpe (gasbindende Pumpe) Behälter mit Zeolith gefüllt Zeolith: feinporiges Al 2 O 3 wird mit flüssigem Stickstoff eingekühlt. Hat grosse aktive Oberfläche: 10 3 m 2 /g Binded Gasmoleküle über Physisorption (Van der Waals Bindungen) Enddruck: 10-2 mbar Aber nur einmaliges Auspumpen pro Einkühlung möglich Beim Auftauen wird adsorbiertes Gas über Überdruckventil abgeblasen Molekularsieb 9

10 Hoch- und Ultrahochvakuumpumpen Kinetische Pumpen: Öldiffusionspumpen Öl wird in einem Gefäß erhitzt, der Dampf steigt im Pumpenkörper (ineinandergeschachtelte Rohre) auf und tritt über Umlenkdüsen aus. Der nach unten strömende Dampfstrahl nimmt Gasteilchen auf und bleibt im Öl gelöst, das an den gekühlten Wänden kondensiert. Das Öl strömt an den Seitenwänden nach unten und wird am Boden wieder erhizt, sodass die gelösten Gasteilchen ausgase. Diese werden von einer Vorvakuumpumpe abgesaugt. Saugvermögen: 1000 l/s Enddruck: mbar 10

11 Turbomolekularpumpe: Heute häufigste HV und UHV Pumpe Moleküle bekommen durch Zusammenstoss mit rotierenden Flächen einen Impuls in Richtung Auspuff. Abwechselnd Rotor und Statorblätter Hohe Umdrehungszahlen notwendig (Umfanggeschwindigkeit Gasgeschwindigkeit ( 1000 m/s) U Hz Vorpumpe notwendig Saugvermögen: 1000 l/s Enddruck: mbar Kompression für schwere Teilchen besser als für leichte (daher schlechte Wasserstoffabsaugung) Gute Lagerung notwendig (oft Magnetlager, Keramiklager) 11

12 Ionengetterpumpe: (Gasbindende Pumpe) Gasteilchen werden in einem elektrischen Feld zwischen zylinderförmigen Anoden und gitterförmigen Kathoden (5 kv) ionisiert (+) und auf die Kathode aus Titan beschleunigt, wobei sie Titan zerstäuben das auf den Pumpenkörper (Auffänger) fliegt. Dort binded es die Gasteilchen über Chemisorption. Die für die Ionisation notwendigen Elektronen werden durch ein Magnetfeld auf Spiralbahnen gelenkt um die Ionisierungswahrscheinlichkeit zu erhöhen. Es gibt eine Dioden und eine Triodenausführung. Saugvermögen: einige 100 l/s Enddruck: kleiner mbar. Nur zum Start Vorvakuum notwendig 12

13 Titanverdampferpumpe: Hier wird einfach Titan aus Ti-Draht verdampft und die Ti- Schicht binded wieder die Gasteilchen (Chemisorption). Da i.a.nur eine Monolage adsorbiert werden kann, muss immer wieder neu verdampft werden. Nur im UHV einsetzbar. Gut für reaktive Gase. Oft durch Kühlen der Getterschicht mit LN 2 Saugwirkung verbessert. Massivgetterpumpen (NEG: non evaporable getter): Hier wird ein poröses spezielles Material (z.b. Zirkon- Aluminium Legierung) in Form von Blechstreifen in das Vakuum gegeben und durch Aufheizen aktiviert. Es kann dann grosse Mengen (im UHV) pumpen, vor allem H 2. 13

14 Kryopumpen Durch Kühlen von aktiven Materialien auf sehr niedrige Temperaturen (flüssiges He: 4 K) können fast alle Gase kondensieren: Kryosorption Badkryopumpen (a) Verdampferkryopumpen (b) Refrigeratorkryopumpen (c) b a c 14

15 Druckmessung: Vakuumbereich von atm bis UHV (13 Grössenordnungen) Kein einzelnes Messgerät für gesamten Bereich möglich a) Direkte Druckmessung (Kraft/Fläche) b) Indirekte Druckmessung (Wärmeleitung, Gasreibung, elektrische Leitung) Direkte Messung: Verbiegung von Membranen oder Federn (Messbereich: 1 bar 1 mbar) Kapazitätsmanometer 15

16 Flüssigkeitsmanometer (Quecksilbermanometer) U-Rohr Manometer p= ρ g h p 0 : Dampfdruck von Hg 2x10-2 mbar bei 20 C Messbereich: 1 bar 1 mbar Kompressions-Manometer (McLeod) Messbereich bis 10-4 mbar Dient als Kalibriermessgerät 16

17 Indirekte Druckmessgeräte: Wärmeleitungsmanometer (Pirani Manometer) Wärmeleitung eines Gases ist in einem bestimmten Bereich (10 mbar 10-3 mbar) proportional zur Teilchendichte. Ein geheizter Wolframdraht ist Teil einer Brückenschaltung (Wheatstone-Brücke). Bei Temperaturänderung (wegen veränderter Wärmeableitung) ändert sich der Widerstand. Dies kann mit der Brücke gemessen werden. Die Druckmessung ist (leicht) gasartabhängig 17

18 Reibungsmanometer In einem horizontalen Rohrstutzen wird eine Metallkugel (3 mm ) aktiv magnetisch gelagert und in Umdrehung (400 Hz) versetzt und der Antrieb abgeschaltet. Durch auftreffende Gasteilchen verringert sich die Umdrehungsfrequenz. Dies ist proportional zum Druck Ist auch gasartabhängig, aber erlaubt Absolutdruckmessung Messbereich: mbar Wird zur Kalibrierung von Ionisationsmanometer verwendet. 18

19 Ionisationsmanometer a) Kaltkathoden Ionisationsmanometer Zwischen 2 Elektroden wird eine hohe Spannung (2 kv) gelegt. Es kommt zur kalten Gasentladung, (Penning Entladung) wobei der Entladungsstrom proportional zur Teilchendichte ist. Zur Erhöhung der Stosswahrscheinlichkeit wird auch ein Magnetfeld angelegt. Messbereich: 10-2 mbar mbar b) Glühkathodenmanometer Benötigt 3 Elektroden. Aus einer Glühkathode werden Elektronen emittiert und wandern zur gitterförmigen Anode. Auf dem Weg ionisieren sie Gasteilchen, die über den (negativ gepolten) Ionenfänger abgesaugt werden. Wieder ist der ionenstrom proportional zur Gasdichte (Druck) Messbereich: mbar 19

20 Vakuumsysteme Grundlegendes: Saugvermögen: S = dv/dt [l/s], Schöpfvolumen Saugleistung: Q = p dv/dt [mbar l/s], abgesaugte Gasmenge Leckrate: Q L = p dv/dt [mbar l/s], einfliessende Gasmenge Reelle Lecks: Undichtigkeiten, z.b. an Schweissnähten, Dichtungen, Verbindungen, etc., Diffusion Virtuelle Lecks: Ausgasen von Innenwänden, Dampfdruck, Leitwert L: Durchflussmenge Q = L p (Analog zum Ohm schen Gesetz: I = L U) Leitwert dimensionsgleich zu Saugvermögen [l/s] Parallelschaltung der Leitwerte: L ges = Σ L i Reihenschaltung der Leitwerte: 1/L ges =1/ΣL i Aber auch: 1/S eff = 1/S + 1/L S eff = 9.9 l/s S = 1000 l/s L = 10 l/s 20

21 Leitwerte kreisrunder, gerader Rohre oder Bälge, für Molekularströmung Daher, immer möglichst kurze und weite Bauelemente verwenden. Leitwert von Blendenöffnung (l<<) im HV und UHV: 10 l/cm 2 Weiters, reelle Lecks weitgehend ausschliessen und virtuelle vermeiden. D.h. keine Materialien mit hohem Dampfdruck oder Verunreinigungen in der Vakuumkammer 21

22 Auspumpen eines Rezipienten im Grobvakuum p(t) = p(atm) exp((-s/v) t) Beispiel: Ein 500 l Rezipient soll in 10 min auf 1 mbar evakuiert werden. Dafür ist eine Pumpe mit etwa 20 m 2 /h Saugvermögen notwending. Auspumpzeit im Hochvakuum besonders von virtuellen Lecks bestimmt (z.b. Wasserdampf) Enddruck p end : Ist abhängig von Pumpleistung, Rückströmung, Summe aller rellen und virtuellen Lecks Q L = S p end 22

23 Spezielle Aspekte der Ultrahochvakuumtechnik (UHV): Nur Materialien mit niedrigem Dampfdruck verwenden: Stahl, Aluminium, Glass, Kupfer, Keramik Kein Plastik, Gummi, Fett, Messing,.. verwenden Sehr sauber arbeiten (Fingerabdrücke) Flanschdichtung mittels Kupferringen Typisches Pumpsystem: Drehschieber + Turbo Oder: Adsorptionspumpe + Ionenzerstäuberpumpe Ausheizen der Anlage notwendig zum Desorbieren des kondensierten Wassers (150 C für 24 h) Beispiel: P end = 10-8 mbar, S = 1000 l/s, mit Q L = S p folgt: Q L = 10-5 mbar l/s Dies entspricht Teilchen/s (1 mbar l= Teilchen) Annahme: 1 Monolage Wasser ist adsorbiert an den Innenwänden: 1 ML Teilchen/cm 2. Wenn Innenwandoberfläche etwa 1 m 2 (10 4 cm 2 ) sind Teilchen abzupumpen: Dauer: weit mehr als s. 23

24 Vakuumkomponenten: Klammerflansche mit O-Ring Dichtungen (ISO-KF) ISO-K Flansche UHV CF Flansche (Kupferdichtung) 24

25 Vakuumventile: 25

26 Durchführungen (Dreh-, schiebe, elektrische D., Schaugläser) 26

27 Komplette UHV Anlage Mögliche Folgen schlechter Vakuumtechnik: 27